遥感反演离散植被有效叶面积指数的空间尺度效应

叶面积指数(LAI)是表征植被几何结构和生长状态的关键生物物理参数,也是气候、能量和碳循环等模型的重要输入参数.遥感反演LAI的尺度效应问题一直备受关注.考虑到尼尔逊参数对离散植被的BRDF模型的影响,我们定义有效叶面积指数LAIeff,LAIeff与传统概念下的叶面积指数具有相同的表征植被冠层内叶子浓密程度的主要功能,因此,本文以讨论有效叶面积指数为主.离散植被的空间尺度效应产生机理与连续植被有所不同,本文在方向性二阶微分方法(DSD)反演有效叶面积指数的基础上,讨论了离散植被空间尺度效应产生的原因,并提出了有效叶面积指数的尺度转换公式.理论分析结果表明高分辨率像元有效叶面积指数反演值的平均值总是大于等于同一目标低分辨率像元的有效叶面积指数反演值.另外,本文基于实际航空高光谱遥感影像,反演了中国河北省张家口市怀来县某植被覆盖区的有效叶面积指数,其反演结果验证了该结论的正确性和尺度转换公式的可靠性.     

机载激光雷达森林叶面积指数反演研究

叶面积指数(LAI)是分析冠层结构最常用的参数之一,它控制着植被的生物物理过程,如光合、呼吸、蒸腾、碳循环和降水截获等,因此快速、可靠和客观地评价LAI非常重要.本文发展了激光穿透指数(LPI)的简化计算方法,首次利用校正后的回波强度计算出LPI,以LPI为变量基于Beer-Lambert定律实现了甘肃大野口研究区森林LAI反演,并且与原始回波强度和回波数反演LAI的精度进行对比,结果发现通过距离和角度校正后的回波强度值能提高LAI反演精度.为了评价模型的可靠性和泛化性能,用留一法交叉验证程序(LOOCV)对最佳反演模型进行了验证,表明该模型没有过度拟合,具有很好的泛化能力.最后,用没有参加建模的16个实测LAI对预测值进行精度验证(R2=0.810,RMSE=0.198),发现校正后的回波强度反演山区森林LAI精度较高.本文还对激光雷达LAI反演结果与传统光学TM影像的反演结果进行了对比分析,结果表明机载激光雷达反演LAI精度(R2=0.825,RMSE=0.165)高于光学TM遥感数据(R2=0.605,RMSE=0.257),因此,可用激光雷达数据实现研究区的高精度LAI反演,为生态环境研究提供可靠的基础数据.     

地震前后遥感影像空间尺度特性与最优空间尺度选择

本文基于不同计算窗口大小的改进局部方差方法, 判定地震后遥感影像上的目标物, 如损毁建筑物、 完好建筑物的最佳空间尺度。 对航片、 QuickBird影像进行了系列实验分析, 得到了在QuickBird影像中城区完好建筑物最佳空间分辨率在2~3 m, 损毁建筑物最佳空间分辨率2~4 m, 航片中城区完好建筑物最佳空间分辨率为3~4 m。 最佳空间分辨率与目标地物的尺度紧密相关, 不同尺度大小的地物具有不同的最优空间尺度。 最佳空间尺度的选择在处理海量高空间分辨率影像时通过重采样选取最佳空间分辨率, 可以有效减少图像运算时间, 在地震灾害快速评估中具有一定的应用意义。     

作物生长模型同化MODIS反射率方法提取作物叶面积指数

叶面积指数(LAI)是监测农作物生长的重要参数. 遥感提取LAI的方法之一是通过植被冠层辐射传输模型反演, 但多数模型反演方法都没有考虑作物LAI在不同生长阶段的变化关系. 本文在模型反演的基础上引入用作物生长模型描述的LAI随生长变化的关系, 将作物生长过程中LAI地面先验信息作为约束信息, 提取最优目标参数LAI. 要点是在耦合作物生长模型和辐射传输模型中通过变分算法在作物生长不同时刻序列同化多时相遥感观测和LAI先验知识; 在同化过程中用伴随方法求解代价函数. 采用北京昌平和顺义地区MODIS数据的同化结果显示时序遥感观测能够极大改善被提取LAI的不确定性, 对比MODIS LAI产品发现提取LAI廓线符合实际的作物生长规律, 因而比MODIS LAI产品更加可靠.     

基于知识的分阶段不确定性多角度遥感反演

针对多角度遥感的反演提出了一种基于知识的分阶段不确定性反演方法 .反演以Tarantola的信息理论为基础将人类的先验知识、BRDF模型以及实验测量数据结合在一起 ,在反演决策上使用了多阶段的目标决策方案 .最后以SAIL模型为例 ,用室内实验测量数据对该反演方法进行了反演试验 ,反演结果表明这种反演方法较传统的确定性反演方法更为合理、可靠 .     

太湖水体遥感反演参数的空间异质性

空间异质性的存在,会导致水质参数遥感反演中的尺度效应,影响反演精度,因此通过分析水质参数空间异质性,对于选择适当分辨率的遥感影像,提高反演精度具有重要意义.通过2008年10月在太湖布置的3个样方,利用GIS地统计学原理和分形维数的方法,对水质遥感反演中的三要素浓度,包括叶绿素a(Chl.a)、总悬浮物(TSM)和溶解有机碳(DOC)的空间异质性及其可能产生的尺度效应进行了研究.结果表明:太湖水体的三要素浓度在不同样方单元中变异系数相差较大,存在着明显的尺度效应;三个样方内Chl.a变异函数曲线斜率在变程范围内变化都较为剧烈,分形维数较高,说明太湖水体Chl.a受到某种起主导作用的生态过程的影响和控制;Chl.a和TSM的空间结构比例都在90%左右,有较强的空间相关性,表明其空间异质性的产生主要是由于结构性因素引起的,随机性因素作用微弱;DOC空间结构比例较小,说明随机性因素对其空间异质性的产生起了主导作用.三个样方中Chl.a的变程分别为147.3m、129.3m和115.0m,TSM的变程分别为1131.7m、130.6m、149.1m,因此在遥感反演中可选择TM影像,选择5×5窗口,以150m×150m作为基本单元;而DOC的变程分别为34.3m、38.5m、26.4m,表明其自相关距离较小,建议直接选择分辨率为30m的TM影像,使实际测量值与遥感影像最小单元相对应,消除反演过程中的尺度效应带来的误差.该研究也表明,MODIS的像元尺寸(250、500、1000m)明显偏大,在太湖水体三要素反演过程中,由于空间异质性引起的尺度效应,会造成一定的误差.     

三波段梯度差植被指数的理论基础及其应用

针对现有植被指数的不足, 从分析植被的光谱特点入手, 提出一种新的植被指数TGDVI, 并建立了用TGDVI反演植被覆盖度和叶面积指数的方法. 理论分析和模型模拟方法研究表明, 该植被指数具有高饱和点和一定的背景影响消除能力, 并可以和植被覆盖度、叶面积指数建立比较明确的函数关系. 此外, 该植被指数对于薄云的影响也有一定的去除能力. 北京顺义试验数据研究表明, 利用该植被指数反演叶面积指数可以获得比较理想的效果. 从理论上分析了NDVI饱和点低的原因, 指出NDVI的低饱和点是由其定义本身和植被的光谱响应特点决定的, 从一定意义上说是无法克服的. 同时还通过模型模拟证明比值植被指数与叶面积指数之间为近似分段线性关系, 而非普遍采用的线性关系, 这主要是由背景影响以及红光、近红光反射率随叶面积指数增加变化速率不一致造成的.     

改进高分辨率遥感影像测量断裂错动空间尺度的探讨研究

为避免在进行高空遥感影像活动断裂空间尺度测量分析时采用较多的外业控制点,降低测量过程的繁琐性,提高测量精准度,提出利用空中三角测量的遥感影像空间定位方法。通过有理多项式系数模型精准表示平面坐标系中相应像点和地面点三维空间坐标之间的数学关系,选取活动断裂区域中重叠率较高（概率较高）的控制点,忽略其他控制点以减少外业控制点的需求量;以控制点地面坐标、像点坐标作为已知值,将活动断裂区域的地面坐标以及可以精确表达卫星影像物方的几何旋转关系的定向参数作为待定量,根据有理多项式系数模型的误差方程,以最小二乘为准则确定活动断裂区域的地面坐标,定位区域遥感图像主要活动断裂解译标志包括线性标志、垂直错动和水平错动标志;依据不同标志中的两侧色调反差、阴影色调以及扭曲变形程度,将活动断裂的活动性分成强、中、弱三个等级,实现对断裂空间尺度的分析。实验结果表明,该方法测量的空间尺度精准性较高,解译和判断的断层形态与实际相符。     

基于泥沙因子的水深遥感反演模型

针对悬浮泥沙影响水体遥感测深精度的问题,选择长江口南港至南槽为研究区,通过对遥感测深方法研究,结合悬浮泥沙光谱特性分析,把"泥沙因子"引入到水体遥感测深反演模型中,研究表明:1)单因子非线性模型中,指数模型对0-2m的水深反演效果较好,对数模型对2-7m的水深反演较好,二次回归模型对7-14m的水深反演效果较好:2)建立的BP人工神经网络水深反演模型综合了多个波段具有的水深信息,模型的反演效果好于单因子非线性模型;3)实验构建的泥沙遥感参数综合了不同波段具有的悬沙信息,削弱了叶绿素和外界环境条件对泥沙信息的干扰,可较好地反映悬沙浓度变化特征;4)建立的BP人工神经网络泥沙因子水深反演模型削弱了悬浮泥沙对遥感测深的影响,模型实际反演能力明显优于单因子非线性模型和多因子BP人工神经网络水深反演模型.     

全球植被叶面积指数对温度和降水的响应研究

利用一套新的遥感信息反演的叶面积指数(LAI)数据和生物气候数据,建立了全球尺度的LAI与降水及温度的总体相关和距平相关,用以揭示全球尺度的植被季节和年际的变化对气候变化的响应特征.结果发现,全球尺度植被与气候因子的季节和年际变化随不同的生态系统差异明显.植被LAI与温度的总体正相关的最大值出现在北半球的中高纬度地区;LAI与降水的总体正相关高值(＞0.8)出现在亚洲东部、北美洲北部腹地和热带非洲北部的Sahel地区;最大的LAI与温度的正距平相关(0.4-0.6)出现在东南亚南部、非洲Sahel地区的南部和巴西东部等热带地区;而从LAI与降水的距平相关来看,最明显的特征是出现在西伯利亚、亚洲北部和北美西北部的强的负距平相关.本文进一步阐明了出现相关特征差异的陆-气过程物理机制.     

全球植被叶面积指数对温度和降水的响应研究

利用一套新的遥感信息反演的叶面积指数(LAI)数据和生物气候数据,建立了全球尺度的LAI与降水及温度的总体相关和距平相关,用以揭示全球尺度的植被季节和年际的变化对气候变化的响应特征.结果发现,全球尺度植被与气候因子的季节和年际变化随不同的生态系统差异明显.植被LAI与温度的总体正相关的最大值出现在北半球的中高纬度地区;LAI与降水的总体正相关高值(＞0.8)出现在亚洲东部、北美洲北部腹地和热带非洲北部的Sahel地区;最大的LAI与温度的正距平相关(0.4-0.6)出现在东南亚南部、非洲Sahel地区的南部和巴西东部等热带地区;而从LAI与降水的距平相关来看,最明显的特征是出现在西伯利亚、亚洲北部和北美西北部的强的负距平相关.本文进一步阐明了出现相关特征差异的陆-气过程物理机制.     

不连续走时曲线的反演

本文系统地求解了不连续走时曲线的反演问题.所得到的解答表明,除了在低速层(若存在)内,其余各处的速度分布以及低速层的厚度均可唯一地确定.本文指出Slichter(1932)关于低速层厚度上界的推导和Gerver-Markushevich(1966)的反演公式是不合理的.     

顾及空间相关性的遥感震害指数与地震烈度回归模型研究

传统的遥感烈度评估方法,采用普通最小二乘法来建立遥感震害指数与地面等效震害指数之间的关系,再经过地面等效震害指数转化为地震烈度,忽略了数据之间的空间相关性。为使结果更加准确,本研究通过建立顾及空间相关性的遥感震害指数与地震烈度的回归关系,并以"四川芦山7.0级地震"为例进行实验验证,结果证实顾及空间相关性的回归模型的稳定性和准确性优于普通线性回归模型。     

改进的区域缺水遥感监测方法

植物水分与土壤水分状况密切相关, 提取地表缺水指数是研究区域缺水的一种有效途径. 选择不同退化程度的草地为研究对象, 通过建立基于亚像元尺度的双层蒸散模型, 成功计算了区域的地表缺水指数(SWDI); 考虑到半干旱地区植被冠层水主要由土壤水提供, 但植被供水状况与植被水分实际状况之间存在着一定的“滞后”, 鉴于此, 试图建立地表缺水指数与植被冠层水分含量、表层土壤水分含量(0~20 cm)之间的定量关系, 从而更准确、及时地反演区域的表层土壤水分含量(0~20 cm). 通过本次研究探讨一种直接应用遥感技术研究半干旱地区区域缺水的实用方法.     

求解地震静校正问题的双尺度反演方法

通过对地震静校正问题的分析,综合线性反演方法的计算速度快和非线性反演方法寻找全局最优解能力强的优点,提出了求解地震静校正问题的双尺度反演方法.在大尺度下采用非线性反演方法为小尺度下的线性反演计算初始模型,利用小尺度下的线性反演方法获得精细模型.对反演参数的选取进行了讨论,使双尺度反演算法具有自适应的特点.理论模型和实际资料的计算表明该方法计算结果精度高、计算速度快.     

一维连续导电剖面的反演问题

基于Schlumberger装置测得的视电阻率,在Coen理论的基础上对一维连续直流导电剖面的反演问题进行研究。分别给出了导电剖面是常函数、线性函数、幂函数、指数函数、分段函数情况下的精确数据和噪音数据反演结果。利用一个野外场地反演的例子,把利用该方法进行反演得到的连续模型和Inman得到的层状模型进行了相应的比较,发现该方法在处理实际场地数据也是有效的。     

全覆盖植被冠层水分遥感监测的一种方法: 短波红外垂直失水指数

利用叶片辐射传输模型PROSPECT、植被冠层辐射传输模型SailH和地气辐射传输模型6S, 进一步探索近红外、短波红外反射光谱特征, 从光谱特征空间的角度, 分析地物在NIR-SWIR空间的分异规律, 建立监测植被冠层水分含量的新方法-短波红外垂直失水指数(SPSI). 通过实地观测数据和叶片、冠层辐射传输模型验证本文提出的新方法, 结果表明SPSI和实地观测的植被冠层水分含量(FMC)具有较高的相关性, R2和RMSE分别为0.79, 26.41%, 证明了SPSI在FMC反演方面有一定的应用潜力.     

基于无人机和卫星遥感影像的升金湖草滩植被地上生物量反演

湿地植被地上生物量是衡量湿地生态系统健康状况的重要指标,对于珍稀水禽越冬繁殖、全球碳循环、生态净化具有重要意义,是生态学与遥感解译的研究热点之一.针对于地上生物量的测算,卫星遥感数据覆盖范围广但其空间分辨率较低,无人机遥感数据空间分辨率高但采集范围小,同时受湿地面积、观测系统及外界环境等条件的影响,使得遥感影像地上生物量反演更加复杂和困难.本研究基于无人机和高分一号数据对升金湖草滩植被地上生物量反演进行研究,结合升金湖保护区4个样区无人机可见光影像与相应样区实测样本数据,建立地上生物量与可见光波段、多种可见光植被指数的线性、幂函数、多项式、对数回归模型,并通过可决系数（R²）、平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）对模型进行精度评价,选择最优模型对无人机影像进行地上生物量反演;通过可见光波段反演得到的生物量,与高分一号WFV归一化差分植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）影像相结合进行回归建模,获取整个升金湖草滩植被地上生物量分布.结果表明,利用无人机红光波段建立的多项式方程对地上生物量反演有着最高模拟精度,R²=0.86、预测精度MAE=111.33 g/m²、RMSE=145.42 g/m²,且红光波段生物量反演方法得到的结果与实际生物量分布一致性较高,高分一号WFV NDVI与无人机反演生物量构建的多项式模型为最优模型,R²为0.91.本研究利用无人机和高分一号数据进行生物量反演研究,整合多源遥感数据优点,以获取更加丰富和准确的信息,进而提高地上生物量反演精度,为湿地监测和湿地恢复管理提供数据和技术支撑,具有重要研究意义和应用价值.     

基于多尺度迭代求解三维频率-空间域声波方程的全波形速度反演研究-理论模型

使用广义最小残量方法迭代求解三维频率-空间域声波方程,反演时使用多尺度、多重网格的策略,探讨了如何快速实现高分辨率的三维频率-空间域迭代法声波全波形速度反演.通过对理论模型进行三维频率-空间域迭代法声波全波形反演数值试验,证实该方法的计算速度快、计算效率高,反演所得速度的分辨率高.从而为基于多尺度迭代求解三维频率-空间域声波方程的全波形速度反演成像打下方法基础.     

冠层尺度的生态系统光合-蒸腾耦合模型研究

对叶片尺度上的气孔导度-光合-蒸腾耦合模型(SMPT-SB)在冠层尺度上进行了扩展,探讨了模型的参数化方法,建立了冠层尺度上的生态系统光合-蒸腾耦合模型.并用中国通量观测网络(ChinaFLUX)长白山站的涡度相关观测数据对模型进行了验证.结果表明,冠层气孔内部导度gic可以通过单叶气孔内部导度与光合有效辐射的关系,通过模拟冠层内的光分布再对冠层进行积分实现由单叶向冠层的尺度转换.在无水分胁迫情况下,该模型在冠层尺度上对光合速率具有很高的模拟能力,模拟值与观测值的直线回归方程斜率为0.7977,R2=0.8892(n=752),平均绝对误差为3.78μmolCO2·m?2·s?1;蒸腾速率的模拟值和观测值直线回归方程的斜率为0.7314,R2=0.4355(n=752),平均绝对误差为1.60mmolH2O·m?2·s?1.同时分析结果表明,降水过程是影响蒸腾速率模拟效果的最直接原因.本模型将冠层作为一个整体,而忽略了冠层内部复杂的反馈机制,探讨了整个冠层光合和蒸腾与外部环境条件之间的关系,与传统的基于植物生理生态学过程模型,相比本模型简单且易于求解,便于应用.可以将其作为构建土壤-植被-大气连续体水碳耦合模型的基础模型.